Módulo 2 - Aula 35 - Radioatividade

REAÇÕES NUCLEARES

O átomo 

Como sabemos, o átomo é a unidade fundamental da matéria. Ele se divide em duas regiões, uma central, na qual está concentrada praticamente toda a sua massa e toda a sua carga positiva, denominada núcleo, e uma região periférica, na qual se concentra sua carga negativa, denominada eletrosfera. As partículas que formam o núcleo – os prótons e os nêutrons – são denominadas núcleons. As partículas que se encontram distribuídas pela eletrosfera são os elétrons.

O total de núcleons em um núcleo atômico é denominado número de massa (A).

REAÇÕES NUCLEARES

            As reações nucleares são fenômenos em que ocorre a alteração da constituição dos núcleos. Tais reações acontecem quando há uma alteração no número de prótons e / ou no número de nêutrons de um núcleo atômico.

Quando a reação nuclear ocorre com a alteração do número de prótons do núcleo, ela é denominada transmutação.

Exemplo:

57          90         1

  Zn à     Se   +   p

 30          34         1

Em um processo de transmutação, a identidade do elemento é alterada, ou seja, um elemento químico se converte em outro elemento. No exemplo anterior, átomos do elemento zinco são convertidos em átomos do elemento cobre.

Alguns processos nucleares ocorrem sem que haja a alteração do número de prótons do núcleo, como a emissão de nêutrons.

Exemplo:

91          90         1

  Se à     Se   +   n

 34          34         0

No processo anterior, o nuclídeo selênio-91 emite um nêutron, sem que haja alteração do número de prótons, transformando-se em outro nuclídeo do mesmo elemento químico, o selênio-90.

Existem três tipos de reações nucleares.

● Radioatividade: Atividade apresentada por alguns nuclídeos instáveis em que há emissão ou absorção de partículas (prótons, nêutrons, partículas alfa, partículas beta, pósitrons, elétrons, neutrinos e antineutrinos), com emissão de energia eletromagnética (radiação), buscando a sua estabilização.

● Fissão nuclear: Ruptura de núcleos atômicos, originando núcleos menores.

● Fusão nuclear: Junção de núcleos atômicos, originando núcleos maiores.

PRINCÍPIO DA EQUIVALÊNCIA MASSA-ENERGIA

Em 1905, Albert Einstein publicou em um artigo a expressão.

E = m . c²

em que E = energia, m = massa de repouso e c = a velocidade da luz no vácuo.

Essa expressão sintetiza o princípio da equivalência entre a massa e a energia. Este, por sua vez, une os princípios da conservação da massa e da energia.

Por esse princípio, para toda massa, existe uma energia associada equivalente e vice-versa, ou seja, a massa de um sistema pode ser convertida em energia e vice-versa.

A massa de um quilograma possui uma energia associada equivalente igual a.

E = 1 kg . (3x108 m.s^–1)2 ≅ 9,0x10¹⁶ joules

APLICAÇÕES DO PRINCÍPIO DA EQUIVALÊNCIA MASSA-ENERGIA

No processo de aniquilação do elétron e do pósitron, toda massa do sistema é convertida em energia. Relacionando-se a variação de massa com a variação de energia em um sistema, tem-se:

E = m . c²

Todo processo em que há perda de massa (Δm < 0) é considerado exoenergético (ΔE < 0), ou seja, ocorre com liberação de energia. Em contrapartida, todo processo em que há ganho de massa (Δm > 0) é considerado endoenergético (ΔE > 0), ou seja, ocorre com absorção de energia.

Nos fenômenos químicos exotérmicos, a massa do sistema não se conserva, como previsto pelo Princípio de Lavoisier. Parte da massa do sistema é convertida em energia. Contudo, essa variação de massa é desprezível e não consegue ser registrada nem por uma balança de alta precisão, o que não invalida a aplicação do Princípio de Lavoisier às reações químicas.

A combustão de um mol de metano libera 802,3 kJ. A variação de massa nesse sistema pode ser calculada da seguinte forma:

Δm = ΔE/c²

Δm = 802,3 kJ/(3x10⁸ m.s^–1)²

Δm = 8,91x10⁻¹² kg

CH_4(g) + 2O_2(g) → CO_2(g) + 2H₂O_(g)

          80g               80g – 8,91x10⁻⁹ g = 80g

Nas reações nucleares, o Princípio da Conservação da Massa de Lavoisier não pode ser aplicado, já que a variação de massa não é desprezível, como nas reações químicas, e a energia envolvida nesse tipo de processo é milhares de vezes maior do que a variação de energia envolvida em uma reação química.

ESTABILIDADE NUCLEAR

A estabilidade nuclear de um nuclídeo está associada à sua energia de ligação nucleônica. Quanto maior for a energia de ligação, menor será a energia armazenada no núcleo e, consequentemente, maior será a estabilidade do nuclídeo.

O gráfico a seguir representa a energia de ligação por núcleon (E/A) em função do número de núcleons (A).

O níquel-62 é o nuclídeo com maior energia de ligação entre todos os nuclídeos conhecidos.

Os nuclídeos próximos ao ferro-56 e ao níquel-62 são muito estáveis, pois seus núcleons estão fortemente ligados. Os nuclídeos com número de massa muito elevado tornam-se mais estáveis quando sofrem fissão nuclear. Já os nuclídeos com baixo número de massa tornam-se mais estáveis quando sofrem fusão nuclear.

A estabilidade nuclear depende diretamente da relação entre o número de nêutrons e o número de prótons.

Em alguns casos, o número de prótons e de nêutrons é tão alto que a força de ligação nuclear não é suficiente para mantê-los unidos. Nesses casos, ocorre emissão alfa para diminuir tanto o número de nêutrons como o de prótons.

Relação do número de prótons e de nêutrons com a estabilidade

RADIOATIVIDADE

A radioatividade é um fenômeno nuclear, isto é, deve-se unicamente à emissão de partículas e radiações pelo núcleo atômico, em um processo que ocorre com a finalidade de atingir a estabilidade nuclear.

Transmutação

Ocorre transmutação quando os átomos sofrem transformações em seus núcleos, originando átomos de um novo elemento.

Transmutação natural

Ocorre com a emissão espontânea de partículas por parte do núcleo.

Transmutação artificial

É provocada por bombardeamentos de núcleos com partículas subatômicas. As principais partículas utilizadas são partículas alfa, prótons e dêuterons. Atualmente, essas reações são feitas, em geral, nos aceleradores de partículas de alta energia, como o cíclotron, o síncroton e o acelerador linear.

Seguem algumas transmutações artificiais importantes e seus respectivos pesquisadores.

1. Ernest Rutherford (1919): Descoberta do próton

2. James Chadwick (1932): Descoberta do nêutron.

Em equações de transmutação, é fundamental a igualdade algébrica entre os índices que representam o número de massa e o número atômico.

Átomos radioativos artificiais

Átomos estáveis podem ser transformados em radioativos artificialmente.

Elementos artificiais

São divididos em cisurânicos e transurânicos. Os elementos cisurânicos são elementos artificiais com número atômico inferior a 92 (urânio). São quatro: promécio, tecnécio, frâncio e astato.

Os elementos transurânicos são elementos artificiais com número atômico superior a 92 (urânio). Até o presente momento, já foi comunicado a obtenção artificial de dezoito elementos transurânicos.

Os primeiros elementos transurânicos preparados pelo homem foram o netúnio e o plutônio, obtidos pelo bombardeamento de 238 92U por nêutrons lentos.

Natureza das emissões

Existem três tipos de emissões, as quais são denominadas α, β e γ. Estas podem ser separadas por um campo elétrico.

O campo elétrico produzido pelas placas desvia a trajetória das emissões. Observe que as partículas a sofrem um desvio bem menor, se comparado com o desvio sofrido pelas partículas β.

Partículas α (Alfa)

São partículas constituídas de 2 prótons e 2 nêutrons (conjunto igual ao núcleo do átomo de hélio), emitidas pelo núcleo radioativo.

Lei de Soddy: Quando um elemento radioativo emite uma partícula α, ele origina um novo elemento com número atômico 2 unidades menor e número de massa 4 unidades menor.

Observe que houve mudança do número atômico do átomo, logo, haverá mudança de elemento químico, denominada reação de transmutação.

Partículas β (BETA)

Cada partícula β é um elétron emitido em alta velocidade pelo núcleo radioativo. 

Admite-se que a partícula β (elétron) deve ser formada pela desintegração de um nêutron.

Esse elétron é imediatamente expulso pelo núcleo e recebe a denominação de partícula β.

O neutrino é uma partícula de carga nula e massa desprezível, já que possui uma massa 20 vezes menor do que a massa do elétron.

Lei de Soddy-Fajans-Russel: Quando um elemento radioativo emite uma partícula β, seu número atômico aumenta uma unidade, e o seu número de massa não se altera.

Radiações γ (Gama)

São radiações eletromagnéticas cujos comprimentos de onda variam de 0,5 a 0,005 A. As emissões de partículas α e β são normalmente acompanhadas de emissão de radiação γ.

Equações de desintegração

Nas equações de desintegração, tem-se:

Características das emissões radioativas

Cinética das emissões radioativas

 Leis da desintegração radioativa

Não é possível prever com exatidão a duração de um núcleo radioativo, pois ele poderá permanecer sem se desintegrar durante segundos, dias ou até séculos. Contudo, existem cálculos estatísticos capazes de fornecer uma expectativa do tempo de vida de um núcleo radioativo.

Período de semidesintegração ou meia-vida

É o tempo necessário para que a metade dos átomos presentes em uma amostra se desintegre.

em que

N = nº final de átomos em uma amostra radioativa.

N₀ = nº inicial de átomos em uma amostra radioativa.

x = nº de meias-vidas.

Nessa expressão, N e N₀ podem também representar a massa final (m) e a massa inicial (m₀) de uma amostra radioativa. Assim,

m = m₀

         2^x

O tempo (t) correspondente a x meias-vidas é dado por

t = x . P

em que

P = tempo correspondente a uma meia-vida.

OBSERVAÇÕES

1. A temperatura não interfere na velocidade dos processos radioativos, ou seja, não altera os fenômenos nucleares.

2. A meia-vida, ou período de semidesintegração de um elemento, não depende do número de átomos ou da massa inicial da amostra.

3. A atividade radioativa de uma amostra diminui no decorrer do tempo porque o número de desintegrações diminui.

FISSÃO NUCLEAR

No processo conhecido como fissão, um núcleo muito pesado se parte e forma núcleos de peso médio.

Durante a fissão, são produzidos nêutrons. Os nêutrons emitidos podem causar a fissão de outros núcleos de ²³⁵ U₉₂, ocorrendo uma reação em cadeia.

Reação em cadeia

No processo da fissão, ocorre uma perda de massa que é convertida em energia de acordo com o princípio da equivalência massa-energia de Einstein.

A energia liberada em uma fissão nuclear é aplicada para fins pacíficos nos reatores nucleares (reação controlada) ou para fins bélicos em bombas atômicas, bomba A (reação incontrolada).

Reator nuclear

Em um reator nuclear, a reação de fissão é controlada por moderadores de nêutrons e por barras de controle.

Os moderadores de nêutrons desaceleram os nêutrons liberados no processo, viabilizando o prosseguimento da reação em cadeia sob controle.

As barras controladoras adsorvem os nêutrons, impossibilitando o crescimento exponencial do número de nêutrons produzidos na reação em cadeia. Os principais materiais que realizam essa função são aço-boro, cádmio ou háfnio.

Em um reator nuclear, a reação de fissão é uma fonte de calor utilizada para elevar a temperatura da água até a ebulição. O vapor produzido aciona uma turbina que produz eletricidade, mecanismo idêntico ao de uma máquina térmica convencional.

Lixo atômico

O processo de fissão produz um resíduo extremamente perigoso, representando um alto risco à população e ao meio ambiente. Esse resíduo é denominado lixo atômico ou nuclear.

O lixo nuclear é constituído de uma série de radionuclídeos (já foram identificados mais de 200 radionuclídeos diferentes) que normalmente possuem uma meia-vida longa. Por esse motivo, é necessário armazená-los em recipientes de chumbo e concreto e guardá-los em locais seguros por um tempo suficiente para que a radiação emitida atinja níveis não prejudiciais.

Bomba atômica (Bomba A)

A bomba atômica é detonada em três estágios. O primeiro consiste em detonar a espoleta da bomba, uma carga de TNT, que, ao explodir, libera energia suficiente para juntar massas de material físsil (normalmente urânio-235 ou plutônio-239). Quando essas massas se juntam, formam uma massa denominada massa crítica, completando o segundo estágio. No terceiro estágio, a massa crítica penetra na fonte de nêutrons, dando origem à reação em cadeia.

FUSÃO NUCLEAR

No processo conhecido como fusão, núcleos leves combinam-se para formar núcleos mais pesados. 

Exemplo: 

No processo, ocorre uma perda de massa, que é convertida em energia. O processo de fusão nuclear libera uma quantidade de energia muito maior do que o processo de fissão nuclear, além de produzir resíduos mais limpos (menos radioativos).

A temperatura necessária para vencer a repulsão entre os núcleos dos reagentes e realizar a fusão é da ordem de cem milhões de graus Celsius para a fusão de quatro átomos de hidrogênio e de um milhão de graus Celsius para a fusão de deutérios(² H₁) e trítios (³ H₁), isótopos mais pesados do hidrogênio.

Temperaturas tão elevadas não são encontradas na Terra, porém a produção das bombas atômicas viabilizara a realização das fusões.

Atualmente, já se pensa em reatores de fusão mais eficientes do que os reatores de fissão. O processo funcionaria a altas temperaturas, em que os átomos estariam desvinculados de seus elétrons. Esse estado denomina-se plasma. 

Módulo 2 - Aula 34- Eletrólise e Leis de Faraday

Eletrólises são fenômenos inversos aos que ocorrem nas pilhas, ou seja, a energia elétrica é convertida em energia química.

Eletrólise: Reação eletroquímica não espontânea promovida pelo consumo de energia elétrica. (∆Eº < 0)

A eletrólise de sais, de ácidos e de bases tem como característica principal a descarga de íons, tornando-os neutros. Os cátions descarregam-se em um eletrodo denominado cátodo. Os ânions descarregam-se em um eletrodo denominado ânodo.

Cátodo ⇒ polo negativo (–) ⇒ ocorre redução.

Ânodo ⇒ polo positivo (+) ⇒ ocorre oxidação.

Os eletrodos em uma eletrólise podem ser inertes, quando não participam da reação, ou ativos, quando participam da reação. Os eletrodos inertes mais utilizados são os de carbono grafite e platina.

Na superfície de um eletrodo,

• um cátion metálico se reduz na forma metálica.

A eletrólise é um processo não espontâneo, no qual o cátion recebe seus elétrons de volta e o ânion doa os elétrons recebidos. Assim, a passagem de um estado de maior estabilidade para um de menor estabilidade é forçada.

TIPOS DE ELETRÓLISE

Eletrólise ígnea

É o tipo de eletrólise em que os íons são obtidos a partir da fusão do eletrólito sólido, ou seja, o aquecimento do eletrólito promove sua dissociação em íons.

Uma fonte externa geradora de corrente elétrica promove a reação de oxidação e a de redução dos íons produzidos na dissociação.

O cloro gasoso irá borbulhar na fase líquida e deverá ser recolhido com a ajuda de um tubo de vidro adaptado ao sistema.

Em alguns casos, a eletrólise ígnea é dificultada, na prática, devido ao alto ponto de fusão do eletrólito. Um exemplo disso é o Al₂O₃, cuja temperatura de fusão é igual a 2060ºC. Esse composto necessita de um fundente para permitir que a eletrólise ocorra em temperatura mais baixa. O fundente mais utilizado, nesse caso específico, é a criolita, Na₃AlF₆, que, misturada ao Al₂O₃, funde a aproximadamente 1000ºC.

Eletrólise aquosa

Quando a dissociação do eletrólito é promovida pela água, tem-se a eletrólise aquosa. Em uma eletrólise aquosa, os íons podem ser obtidos da autoionização da água ou do eletrólito, o que gera uma competição. Exemplo: Cloreto de sódio

Porém, apenas um dos cátions e apenas um dos ânions irão se descarregar nos eletrodos.

Os metais menos reativos são os que necessitam de menor d.d.p. para se descarregarem. Logo, são os primeiros a se descarregarem, vencendo a competição. A mesma análise pode ser estendida aos ânions. • A ordem crescente de tendência à descarga dos cátions é: cátions da família IA (1) e IIA (2), Al3+, H+ (H₃O⁺), os demais cátions.

Observe que o cátion da água só descarrega primeiro (vence a competição) quando os cátions são das famílias IA (1), IIA (2) ou quando é o Al^3+.

• A ordem crescente de tendência à descarga dos ânions é:

oxigenados e F^–, OH^–, não oxigenados e HSO₄ ^–.

Observe que o ânion da água só descarrega primeiro (vence a competição) quando os ânions são oxigenados (exceto o HSO₄ ^–) ou quando é o fluoreto.

Quando os íons da água descarregam primeiro do que os íons do eletrólito, as reações que ocorrem são:

Nessa eletrólise, o H₃O⁺ vence a competição, pois descarrega preferencialmente no cátodo, da mesma forma que o Cl^– vence a competição e se descarrega no ânodo.

Os eletrodos utilizados são inertes.

O resíduo dessa reação é o NaOH. Assim, a eletrólise aquosa do NaCl consiste no processo industrial de produção da soda cáustica.

Nessa eletrólise, o H₃O⁺ vence a competição, pois descarrega preferencialmente no cátodo, da mesma forma que o Cl^– vence a competição e se descarrega no ânodo.

OBSERVAÇÕES

1. Como o resíduo do processo eletrolítico é uma base, com o passar do tempo, o pH da solução aumenta. 2. Os gases são coletados em tubos especiais.

3. O gás cloro é de cor esverdeada e muito utilizado como bactericida.

Irão descarregar preferencialmente os íons Ag⁺ e OH^–. Já os íons H₃O⁺ e NO₃^– permanecem na cuba eletrolítica, constituindo o processo de obtenção do ácido nítrico.

OBSERVAÇÃO

• Como o resíduo do processo eletrolítico é um ácido, com o passar do tempo o pH da solução diminui.

Exemplo 3

Eletrólise da água (H₂O) A água pura, ao ionizar-se, produz pequena quantidade de íons H₃O⁺ e OH^–, o que é insuficiente para a condução considerável de corrente elétrica. Logo, a eletrólise da água pura é dificultada. É por isso que está só é realizada em soluções de eletrólitos fortes, que dão origem a grande número de íons, os quais possibilitam a descarga dos íons H₃O⁺ e OH^–.

Portanto, de acordo com a figura a seguir, o gás H₂ está sendo produzido no tubo da direita, que corresponde ao cátodo.

LEIS DE FARADAY

O estudo quantitativo das massas depositadas nos eletrodos ativos, das massas de substâncias formadas ou de substâncias decompostas em uma eletrólise ou em uma pilha é dado pelas Leis de Faraday.

As Leis de Faraday são exclusivamente experimentais, as quais relacionam a quantidade de eletricidade que percorre o sistema com as massas e os volumes das substâncias obtidas nos eletrodos.

1ª Lei de Faraday

A massa de uma dada substância obtida nos eletrodos, em um processo eletroquímico, é diretamente proporcional à quantidade de carga que percorre o sistema.

Essa lei foi obtida, experimentalmente, fornecendo-se aos sistemas diversos valores de quantidade de carga elétrica e medindo-se as massas obtidas ou decompostas.

Essa lei foi obtida, experimentalmente, fornecendo-se aos sistemas diversos valores de quantidade de carga elétrica e medindo-se as massas obtidas ou decompostas.

Graficamente, tem-se:

OBSERVAÇÃO

• A grandeza física quantitativa de carga elétrica (Q) pode ser expressa a partir da definição de intensidade de corrente elétrica (i).

Intensidade de corrente é a quantidade de carga que passa, em uma unidade de tempo, por uma secção transversal reta de um condutor.

i = Q  ∴ Q = i . t

      t

Unidades

i ⇒ ampère (A)

Q ⇒ coulomb (C)

t ⇒ segundos (s)

2ª Lei de Faraday

A massa obtida ou decomposta de uma dada substância nos eletrodos, em um processo eletroquímico, mantendo-se a carga do sistema constante, é diretamente proporcional à massa molar por carga dessa substância.

Isso pôde ser constatado devido ao fato de que substâncias diferentes submetidas à mesma quantidade de carga (Q) produziam massas diferentes.

Experimentalmente, faz-se a eletrólise de duas substâncias diferentes, em cubas distintas, ligadas em série, para que a carga de ambas seja igual.

Graficamente, tem-se:

OBSERVAÇÃO

• E = M/carga ⇒ massa molar por unidade de carga da espécie química. Equação geral da eletrólise experimentalmente, verificou-se que 96500 C ou 1 F (um Faraday) é a carga necessária para transformar a massa molar por unidade de carga (E) de qualquer substância em um processo eletroquímico.

Equação geral da eletrólise

Experimentalmente, verificou-se que 96 500 C ou 1 F (um Faraday) é a carga necessária para transformar a massa molar por unidade de carga (E) de qualquer substância em um processo eletroquímico.

OBSERVAÇÕES

1. 1F é a carga transportada por um mol de elétrons (6,02x10²³ e^–) capaz de descarregar 1E de qualquer substância em uma eletrólise.

2. As Leis de Faraday podem ser aplicadas às pilhas para determinar as massas que se depositam no cátodo ou a massa corroída no ânodo.

3. Como a eletrólise é uma reação química, ela pode ter rendimento inferior a 100%. Caso o rendimento seja fornecido em um problema, deve-se corrigir os cálculos com uma regra de 3 simples. 

Exemplo:

A massa obtida para o rendimento 100% é 20 g; como a eletrólise se processa com 70% de rendimento, tem-se:

20 g —— 100%

x —— 70%

x = 14 g

Mapa mental